JP5139042B2 - ロボットの手首装置 - Google Patents

Description

本発明は、狭隘環境でワークに対して各種の加工を行うエンドエフェクタの信号線、電力供給線および噴射流体または作動流体を導く流体輸送管などの可撓性ケーブルが周囲の設備に干渉することを防止することができるロボットの手首装置に関する。

図６は、従来技術のロボットの手首装置１を示す一部の断面図である。従来のロボットの手首装置１は、ロボットアームの先端部に設けられ、この先端部の軸線に平行な第１軸線Ｌ１まわりに旋回駆動される第１旋回部２と、第１旋回部２に前記第１軸線Ｌ１に垂直な第２軸線Ｌ２まわりに角変位駆動される揺動部３と、揺動部３に設けられ、第２軸線Ｌ２に垂直な第３軸線Ｌ３まわりに旋回する第２旋回部４とを有する。

第１旋回部２は、手首装置１のホルダ５に軸受６によって第２軸線Ｌ２まわりに回転自在に軸支される揺動軸７を有する。揺動軸７には第１歯車８が同軸に固定され、第１歯車８には第２歯車９が噛合し、第２歯車９には前記ロボットアームの先端部からの回転トルクが伝達され、揺動部３が第２旋回部４とともに第１旋回部２に対して第２軸線Ｌ２まわりに揺動することができるように構成される。

前記ホルダ５にはまた、軸受１０によって第４軸線Ｌ４まわりに回転自在に軸支される第１旋回軸１２が設けられる。第１旋回軸１２の軸線方向一端部には第３歯車１３が同軸に固定され、第３歯車１３には第４歯車１４が噛合する。第４歯車１４には、ロボットアームの先端部からの回転トルクが伝達される。第１旋回軸１２の軸線方向他端部には、第５歯車１５が固定される。この第５歯車１５には、第６歯車１６が噛合する。これらの第５および第６歯車１５，１６は、傘歯車から成る。

第６歯車１６は、揺動部３のホルダ１７に軸受１８，１９によって第３軸線Ｌ３まわりに回転自在に軸支される第２旋回軸２０の軸線方向一端部に同軸に固定される。この第２旋回軸２０の軸線方向他端部には、第２旋回部４が固定され、第２旋回部４にはエンドエフェクタ２１が着脱可能に取付けられ、第２軸線Ｌ２まわりの任意の揺動角で第３軸線Ｌ３まわりに任意の旋回角に旋回し、ワークに対してエンドエフェクタ２１を最適な姿勢にして所定の作業を行うことができるように構成される。

このような従来技術では、第１旋回部２のホルダ５は、前記ロボットアームの先端部側に配置される基部２５と、基部２５から延びる一対のアーム部２６ａ，２６ｂとを有し、略Ｕ字状に形成され、各アーム部２６ａ，２６ｂ間には、前記揺動部３が嵌まり込む。揺動部３には、一対の軸受２８，２９によって第２軸線Ｌ２まわりに揺動自在に連結されるホルダ２２を有し、このホルダ２２のほぼ中央である第１軸線Ｌ１を含みかつ第２軸線Ｌ２に垂直な仮想一平面付近には、隔壁３０が形成されている。
また隔壁３０の近傍には、第５および第６歯車１５，１６が近接して配置され、過密に構成されている。そのため、エンドエフェクタ２１を動作させるための制御信号を送受信するための信号線、エンドエフェクタ２１に備えられるアクチュエータを駆動するための作動流体および洗浄または冷却液などの流体を供給するための流体輸送管、およびエンドエフェクタ２１に具備される各種のアクチュエータに駆動電力を与えるための電力線などを結束したケーブルを、エンドエフェクタ２１から手首装置の外部を経て、ロボットアームの先端部に弛緩状態で張架しなければならない。したがって狭隘環境でワークに対して作業を行わなければならない場合には、前記ケーブルが周囲の設備に干渉し、ケーブルを
損傷してしまうという問題がある。またこのようなケーブルの損傷を回避するためには、手首装置１の外側を弛緩状態で張架されるケーブルの占有空間を考慮してロボットの動作計画を行わなければならず、狭い作業空間ではワークに対して作業を行うことができないという問題がある。

このような問題を解決する他の従来技術の手首装置は、たとえば特許文献１に記載されている。この先行技術では、第２旋回部である回転体にエンドエフェクタとして装着された溶接トーチにワイヤを導くケーブルを、前記回転体に形成される貫通孔に挿入することによって、前記ケーブルの屈曲および周辺機器との干渉を防止している。

特開２００５−９６０７３号公報

前記特許文献１の先行技術では、ロボットアームの先端部に対して着脱することができないという問題がある。

本発明の目的は、ロボットアームの先端部に対して着脱することができるロボットの手首装置を提供することである。

本発明は、ロボットアームの先端部に着脱可能なロボットの手首装置であって、
この先端部の軸線に平行な第１軸線まわりに旋回可能に前記先端部に設けられ、一対のアームを有する略Ｕ字状でかつ中実の第１旋回部と、
第１旋回部の各アーム間に、第１軸線に垂直な第２軸線まわりに角変位可能に設けられ、第２軸線に垂直な第３軸線に沿って延びる第１貫通孔が形成される中空の揺動部と、
揺動部の第３軸線上における軸線方向一端部に、前記第３軸線に平行な第４軸線まわりに旋回可能に設けられ、前記第１貫通孔に連通する第２貫通孔が形成される中空の第２旋回部とを含み、
前記揺動部には、前記第２旋回部から少なくとも第２軸線まで延びるように前記第１貫通孔が形成され、
前記第１貫通孔は、前記揺動部の第３軸線上における軸線方向他端部において、前記軸線方向一端部から軸線方向他端部に向かって連続的に拡径していることを特徴とするロボットの手首装置である。

本発明に従えば、ロボットアームの先端部に第１旋回部が設けられる。この第１旋回部は、前記ロボットアームの先端部の軸線に平行な第１軸線まわりに旋回し、一対のアームを有し、略Ｕ字状に形成される。第１旋回部の各アームには、第１貫通孔を有する揺動部が第２軸線まわりに角変位可能に設けられる。第１貫通孔は、第２軸線に垂直な第３軸線に沿って延び、この第１貫通孔によって前記揺動部が中空構造とされる。この揺動部の前記第３軸線上における軸線方向一端部には、第２旋回部が前記第３軸線に平行な第４軸線まわりに旋回可能に設けられる。第２旋回部は第２貫通孔を有し、この第２貫通孔は前記揺動部の第１貫通孔に連通する。

このように前記揺動部には第１貫通孔が形成され、第２旋回部には第２貫通孔が形成されるので、これらの第１および第２貫通孔にケーブルを挿通し、第２旋回部に設けられるエンドエフェクタに信号線、作動流体中、噴射流体中、電力線などを導いて接続することができる。したがって、前記従来技術のように、手首装置の外側にケーブルを張架する必要がなくなり、狭隘環境であっても周囲の設備にケーブルが干渉することを防ぎ、従来に比べて、より狭い空間で円滑に作業を行うことが可能となる。

また本発明は、前記第１旋回部の一方のアームには、ロボットアームの先端部から前記揺動部を第２軸線まわりに角変位させる回転力が伝達される揺動用入力歯車が設けられ、前記第１旋回部の他方のアームには、ロボットアームの先端部から第２旋回部を第４軸線まわりに旋回させる回転力が伝達される旋回用入力歯車が設けられることを特徴とする。

本発明に従えば、第１旋回軸の一方のアームに揺動用入力歯車が設けられ、他方のアームに旋回用入力歯車が設けられるので、手首装置の構成を大きく変更する必要はなく、たとえば前記揺動用入力歯車および旋回用入力歯車よりも後段の力伝達経路に関連する構成だけを変更すればよく、これによって従来の手首装置を流用することができ、安価なコストで本発明を広範囲に実施することができる。

さらに本発明は、前記第２旋回部の第２貫通孔に臨む内周部には、第１および第２貫通孔にわたって延びるケーブル保護管が固定されることを特徴とする。

本発明に従えば、第１および第２貫通孔内に第２旋回部に固定されたケーブル保護管が設けられるので、第２旋回部の旋回によってケーブルが捩れても、そのケーブルが揺動部の第１貫通孔に臨む内周面に摺接して損傷することが防がれる。

図１は本発明の実施の一形態のロボットの手首装置４０を示す一部の拡大断面図である。本実施の形態のロボットの手首装置４０は、後述の図２に示すロボットアーム４１の先端部４２に設けられ、この先端部４２の軸線Ｌ１０に平行な第１軸線Ｌ１１まわりに旋回し、一対のアーム４３ａ，４３ｂを有する略Ｕ字状の第１旋回部４４と、第１旋回部４４の各アーム４３ａ，４３ｂに設けられ、前記第１軸線Ｌ１１に垂直な第２軸線Ｌ１２まわりに角変位し、第２軸線Ｌ１２に垂直な第３軸線Ｌ１３に沿って延びる第１貫通孔４５が形成される揺動部４６と、揺動部４６の第３軸線Ｌ１３上における軸線方向一端部に、前記第３軸線Ｌ１３に平行な第４軸線Ｌ１４まわりに旋回し、前記第１貫通孔４５に連通する第２貫通孔４７が形成される第２旋回部４８とを含む。

前記第１旋回部４４の一方のアーム４３ａには、ロボットアーム４１の先端部４２から前記揺動部４６を第２軸線Ｌ１２まわりに角変位させる回転力が伝達される揺動用入力歯車５１が設けられる。また前記第１旋回部４４の他方のアーム４３ｂには、ロボットアーム４１の先端部４２から第２旋回部４８を第４軸線Ｌ１４まわりに旋回させる回転力が伝達される旋回用入力歯車５２が設けられる。

揺動用入力歯車５１には、揺動用伝達歯車５３が噛合する。揺動用伝達歯車５３には、ロボットアーム４１の先端部４２から図示しないトルクチューブおよび歯車列を介して回転力が伝達される。また旋回用入力歯車５２には、旋回用伝達歯車５４が噛合する。この旋回用伝達歯車５４は、ロボットアーム４１の先端部４２から図示しないトルクチューブおよび歯車列を介して回転力が伝達される。このように揺動用入力歯車５１および旋回用入力歯車５２には、ロボットアーム４１の先端部４２から出力される揺動用回転力および旋回用回転力が各伝達歯車５３，５４を介して個別に入力される。

第１旋回部４４の各アーム４３ａ，４３ｂ間には、前記揺動部４６の基端部５７が介在され、この基端部５７に前記第１貫通孔４５が形成される。

前記揺動部４６は、大略的に円柱状の前記第１貫通孔４５を有するホルダ５５が設けられ、このホルダ５５には前記揺動用入力歯車５１が固定される揺動軸６１の回転力が伝達され、揺動部４６は、その基端部５７側の領域が各アーム４３ａ，４３ｂ間に嵌り込んだ状態で、２つの軸受６３，６４によって第２軸線Ｌ１２まわりに揺動する。揺動軸６１と揺動部４６との間に減速機が介在してもよい。

また、前記旋回用入力歯車５２が旋回用伝達歯車５４に回転駆動されると、その回転力は、第１旋回部４４のホルダ５８に軸受５９によって第２軸線Ｌ１２上に軸支された旋回軸６６に伝達され、この旋回軸６６に固定された傘歯車６７、それに噛合する傘歯車６８を経て旋回出力部材７１へ入力され、旋回出力部材７１が旋回する。

前記旋回出力部材７１の内周部には、第１および第２貫通孔４５，４７にわたって延びる直円筒状のケーブル保護管９３が固定される。このケーブル保護管９３の旋回出力部材７１への固定は、たとえばケーブル保護管９３の軸線方向一端部を旋回出力部材７１に溶接してもよい。

このようなケーブル保護管９３によって、第２旋回部４８が旋回しても、前記ケーブル保護管９３が第２旋回部４８とともに同一方向へ回転し、揺動部４６の第１貫通孔４５に臨む内周面にケーブル７７が摺接して損傷することが防がれる。

図２は図１に示される手首装置４０を備えたロボット９１を示す斜視図であり、図３はロボット９１の手首装置４０付近の断面図である。ロボット９１は、工場の床などに水平に載置される基台７２と、基台７２上に基端部が鉛直な第１軸Ｊ１まわりに旋回可能に設けられる第１アーム７３と、第１アーム７３の遊端部に下端部が水平な第２軸Ｊ２まわりに揺動可能に設けられる第２アーム７４と、第２アーム７４の上端部に基端部が水平な第３軸Ｊ３まわりに揺動可能に設けられる第３アーム７５と、第３アーム７５の先端部４２に第４軸Ｊ４まわりに回動可能に設けられる前述の手首装置４０とによって構成される。前記第１アーム７３と第２アーム７４と第３アーム７５とによって、前記ロボットアーム４１を構成する。

このようなロボット９１において、前述のロボットアーム４１の先端部４２の軸線Ｌ１０は第４軸Ｊ４を成し、第１軸線Ｌ１１は第４軸Ｊ４と共通な一直線上に存在し、第２軸線Ｌ１２は第５軸Ｊ５を成し、第３および第４軸線Ｌ１３，Ｌ１４は第６軸Ｊ６に相当する。

図４は図２に示されるロボット９１の簡略化した平面図であり、図５は手首装置４０の簡略化した側面図であり、図５（１）は揺動部４６を下方に向けた状態を示し、図５（２）は揺動部４６を上方に向けた状態を示す。信号線および電力供給線などのケーブル７７は基台７２、第１アーム７３および第２アーム７４の外側を通って第３アーム７５からグロメット７８を介して外部へ導かれ、再び第２のグロメット７９を介して手首装置４０の第１旋回部４４内へ導かれ、各アーム４３ａ，４３ｂ間の空間８０から揺動部４６の第１貫通孔４５を挿通し、さらに第２旋回部４８の第２貫通孔４７を挿通して、第２旋回部４８に接続されたエンドエフェクタである、たとえばハンド８１内に第３のグロメット８２を介して導かれる。

このようにケーブル７７は手首装置４０の第１旋回部４４内へ挿入されて第１および第２貫通孔４５，４７を挿通し、ハンド８１に接続することができるので、図５（１）に示すように、ハンド８１を第５軸Ｊ５まわりに一方側、たとえば下方に向けても、ケーブル７７は第１および第２貫通孔４５，４７内で可及的に大きい曲率に湾曲して円滑に追従し、図５（２）に示すようにハンド８１を第５軸Ｊ５に関して反転する方向に角変位させてもケーブル７７はその弾性回復力によって第１および第２貫通孔４５，４７内で大きな曲率で湾曲し、ハンド８１に追従することができる。

このようにハンド８１を第５軸Ｊ５まわりに揺動させても、ケーブル７７は第１旋回部４４、揺動部４６および第２旋回部４８から外部へ突出せず、第１および第２貫通孔４５，４７内で大きな曲率で湾曲させて追従することができるので、ケーブル７７の損傷を防止し、狭隘環境であっても他の設備にケーブル７７が干渉することなしにハンド８１によって所定の作業、たとえば半導体ウエハをホルダまたはフープから取出し、あるいは処理室への搬入および搬出を円滑に行うことができる。

また、前述の手首装置４０には、揺動用入力歯車５１および旋回用入力歯車５２が設けられるので、手首装置４０の構成を大きく変更する必要はなく、たとえば揺動用入力歯車５１および旋回用入力歯車５２よりも後段、すなわち揺動部４６および第２旋回部４８だけを新たに変更すればよく、これによって既存の手首装置を流用して、安価に本発明を実現することができる。

さらに、ユーザは１台のロボットに対して、用途に応じて本発明に従う中空の手首装置４０と従来の中実の手首装置とを、ロボットアーム４１の先端部４２に対して交換することが可能であり、たとえば手首装置の広い可動範囲が求められる場合、狭隘環境への進入を必要とする場合、信号および電力の供給が不要なツールをエンドエフェクタとして第２旋回部４８に取付ける場合には、従来の中実の手首装置を前記ロボットアーム４１の先端部４２に装着して用いることができ、またエンドエフェクタとして取付けられるツールのケーブル７７を手首外部に突出させずに収納が必要な用途である場合には、本発明に従う手首装置４０を前記従来の中実の手首装置に代えてロボットアーム４１の先端部４２に装着して用いることができる。

本発明の実施の一形態のロボットの手首装置４０を示す一部の拡大断面図である。 図１に示すロボットの手首装置４０が装着されたロボット９１の斜視図である。 手首装置４０の一部を切り欠いた断面図である。 ロボット９１の簡略化した平面図である。 手首装置４０の動作を説明するための簡略化した側面図であり、図５（１）は揺動部４６および第２旋回部４８を下方に向けた状態を示し、図５（２）は揺動部４６および第２旋回部４８を上方に向けた状態を示す。 従来技術のロボットの手首装置１を示す一部の断面図である。

符号の説明

４０ ロボットの手首装置
４１ ロボットアーム
４２ 先端部
４３ａ，４３ｂ アーム
４４ 第１旋回部
４５ 第１貫通孔
４６ 揺動部
４７ 第２貫通孔
４８ 第２旋回部
５１ 揺動用入力歯車
５２ 旋回用入力歯車
５３ 揺動用伝達歯車
５４ 旋回用伝達歯車
７３ 第１アーム
７４ 第２アーム
７５ 第３アーム
７７ ケーブル
８１ ハンド
９１ ロボット
９２ 基台

Claims (3)

1. ロボットアームの先端部に着脱可能なロボットの手首装置であって、
   この先端部の軸線に平行な第１軸線まわりに旋回可能に前記先端部に設けられ、一対のアームを有する略Ｕ字状でかつ中実の第１旋回部と、
   第１旋回部の各アーム間に、第１軸線に垂直な第２軸線まわりに角変位可能に設けられ、第２軸線に垂直な第３軸線に沿って延びる第１貫通孔が形成される中空の揺動部と、
   揺動部の第３軸線上における軸線方向一端部に、前記第３軸線に平行な第４軸線まわりに旋回可能に設けられ、前記第１貫通孔に連通する第２貫通孔が形成される中空の第２旋回部とを含み、
   前記揺動部には、前記第２旋回部から少なくとも第２軸線まで延びるように前記第１貫通孔が形成され、
   前記第１貫通孔は、前記揺動部の第３軸線上における軸線方向他端部において、前記軸線方向一端部から軸線方向他端部に向かって連続的に拡径していることを特徴とするロボットの手首装置。
2. 前記第１旋回部の一方のアームには、ロボットアームの先端部から前記揺動部を第２軸線まわりに角変位させる回転力が伝達される揺動用入力歯車が設けられ、前記第１旋回部の他方のアームには、ロボットアームの先端部から第２旋回部を第４軸線まわりに旋回させる回転力が伝達される旋回用入力歯車が設けられることを特徴とする請求項１に記載のロボットの手首装置。
3. 前記第２旋回部の第２貫通孔に臨む内周部には、第１および第２貫通孔にわたって延びるケーブル保護管が固定されることを特徴とする請求項１または２に記載のロボット手首装置。

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